赵飞

南通开放大学 江苏省南通市 226006

 

摘要：光伏逆变器是太阳能光伏发电系统中重要的组成部分，其逆变器的性能很大程度上决定了整个光伏发电系统的性能和效率。本文着重介绍了太阳能光伏系统中逆变器的软、硬件设计方法，单片机通过对线路电压和电流的实时采样来控制相应的执行机构，实现对电压的控制。

本次设计主要针对以AT89C2051小型单片机为核心的太阳能逆变控制器。利用AT89C2051小型单片机的内部资源，通过离线消谐PWM控制，有效降低逆变器输出电压的消谐，从而获得比较满意的正弦波电压输出。 

    设计的小型太阳能发电系统一般独立提供交流给小型负载或照明设备使用，逆变电源将产生电压为220V，频率为50Hz的单相交流电。

 

关键词：AT89C2051；光伏系统；逆变器；PWM

 

目前我国光伏发电系统主要是直流系统，即将太阳电池发出的电能给蓄电池充电，而蓄电池直接给负载供电。此类系统结构简单，成本低廉，但由于负载直流电压的不同（如１２Ｖ、２４Ｖ、４８Ｖ、等），很维实现系统的标准化和兼容性，特别是民用电力 ，由于大多为交流负载，以直流电力供电的光伏电源很难作为商品进入市场。另外，光伏发电最终将实现并网运行，因此逆变器在光伏发电系统中的应用也就越来越重要了。逆变器是将直流电变换为交流电的电力变换装置，逆变技术在电力电子技术中已较为成熟。例如：UPS电源中的逆变器，变频技术中的逆变技术、特种电源中的逆变技术和功率调节器中的逆变技术等，这些都已经以产品的形式推向市场，并受到社会的广泛认可。

逆变电源是光伏发电系统中的重要组成部分，逆变电源的性质决定了光伏发电系统输出电能的质量。随着逆变电源的类型的增多和控制技术的不断发展，使得光伏发电系统可以应用到与国民生产和日常生活相关的各个领域。现代的逆变技术种类很多，可以按照不同的形式进行分类，主要有如下几种：

（1）按照逆变器输出交流的频率，可以分为工频逆变、中频逆变和高频逆变。

（2）按逆变器输出的相数，可以分为单相逆变、三相逆变和多相逆变。

（3）按逆变器主电路形式，可分为单端式、推挽式、半桥式和全桥式逆变。

（4）按照逆变器主开关器件的类型，可分为晶闸管逆变器、晶体管逆变器、场效应管逆变器、IGBT逆变器，等。

（5）按照输出的稳定参量，可分为电压型逆变器和电流型逆变器。

（6）按控制方式，可分为移项控制方式和PWM控制方式。

本次设计采用PWM控制方式，由于它控制灵活，实现简单，可以根据具体的实现要求，产生相应的控制波形。对于谐波抑制、死区控制、调节输出电压等多种方面都十分有利。

整体结构设计

太阳能逆变器工作原理:太阳能电池产生的直流电通过前级升压电路（本次设计选用推挽电路），升高到310V左右提供给逆变器作为输入电压，再把逆变器输出的高频交流电经过整流，高频滤波和极性转换后变成220V 50Hz的交流电。

该系统主要由两部分组成,前级的DC-DC 变换器和后级的DC-AC 逆变器。在本系统中,太阳能电池板输出的额定直流电压为48 V 左右，DC-AC 逆变器的作用是将前级转换的直流电转换成220 V/ 50 Hz 正弦交流电,DC-AC 部分采用全桥逆变,控制电路的核心芯片是AT89C2051。

硬件设计

根据设计要求收集相关资料，并进行了全面的分析和研究之后，得到了一个初步的方案和设计思路：

太阳能光伏发电系统由太阳能电池阵列、控制器、逆变器、蓄电池组等部件构成。在太阳能光伏发电系统中，如果含有交流负载，那么就要使用逆变器设备，将太阳电池组件产生的直流电或者蓄电池释放的直流电转化为负载需要的交流电。

由于光伏阵列的端电压随负载和日照强度而变化, 因此逆变器必须能在较宽的直流输人电压范围内正常工作, 且保证交流输出电压的稳定。本次设计主要针对以AT89C2051小型单片机为核心的太阳能逆变控制器。利用AT89C2051小型单片机的内部资源，通过离线消谐PWM控制，有效降低逆变器输出电压的消谐，从而获得比较满意的正弦波电压输出。

数字信号输入和模拟信号输入指各种反馈量，以及保护、检测量等信号，单片机检测到各种信号后，根据预先设定的程序或控制策略进行计算，然后通过数模（D/A）输出控制信号，经放大后控制高频电子电力电路来实现DC/AC变换，交流输出经变压器变换后即可得到所需的交流电。

 

软件设计

    逆变电源控制软件由主程序、定时器T0中断服务程序、外部中断服务程序三个部分组成。主程序的主要作用是初始化单片机的工作方式，并读入逆变电源输出频率给定值编码，当给定频率发生变化时，其编码值会随之变化，此时置频率变化标志，便于定时器中断服务程序能够按新的消谐PWM开关切换角数据进行定时控制，实现驱动信号的切换。定时器T0中断服务程序主要完成对开关切换角数据的定时及其相应驱动信号的输出，实现消谐PWM控制策略。外部中断服务程序主要负责处理逆变电源的故障保护功能，当故障中断请求发生时，单片机响应中断并再次查询是否确有故障发生，若确认有故障，则封锁驱动信号，并输出故障代码。

本次设计选择采用Atmel公司的AT89C2051作为CPU，89C2051具有2K的程序存储器，两个16位定时器和128BRAM，是一种成本低、集成度高的MCU芯片。将逆变器输出频率给定值以编码的方式输入，CPU根据读入的输出频率代码确定应选择的消谐PWM控制数据，并通过内部定时控制，按此规定的PWM控制数据对开关器件进行切换，从CPU的I/O端口输出逆变桥开关管的驱动信号，实现消谐控制。

   

结论

本文从从环保节能的角度出发，给出了DC/AC逆变器设计方案；脉宽调制（PWM）控制技术是利用脉冲宽度不等的一系列矩形脉冲去逼近一个电压或电流信号，并通过控制电压脉冲宽度以达到变压。本文通过离线消谐PWM控制，有效降低逆变器输出电压的消谐，从而获得比较满意的正弦波电压输出。

 

参考文献：

1、丁化成等编著.AVR单片机应用设计. 北京:北京航空航天大学出版社,2002

2、郭廷玮,刘鉴民.太阳能的利用.北京:化学工业出版社,2003

3、黄仁欣.单片机原理及应用技术.北京:清华大学出版社,2005